基于單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、課 程 設(shè) 計設(shè)計題目：基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)學(xué) 院：機(jī)電汽車工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班 級：機(jī)101-2班姓 名： * *學(xué) 號：2010*指導(dǎo)老師：* * *完成時間：2013年6月2日目錄1、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述.3 1.1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu).3 1.2 直流電機(jī)工作原理.3 1.3 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理.4 1.4 AT89C51單片機(jī).52、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.62.1 PWM波形程序的實(shí)現(xiàn)與控制.72.2 H橋驅(qū)動設(shè)計.82.3 L298功率放大器.93、軟件設(shè)計.113.1 程序流程圖.113.2 主程序設(shè)計.133.3 功能程序設(shè)計.143.4 系統(tǒng)仿真.

2、173.5 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析.184、設(shè)計總結(jié).195、參考資料.20 1、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述1.1直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極，轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過換向片和電刷引出，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示1.2直流電機(jī)工作原理 由上圖可知，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定線圈abcd。當(dāng)線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中的電流方向改變時，線圈受力的方向也改變，因此通過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。1.3直流電機(jī)PWM調(diào)速原理對于直流電機(jī)來說，如果加在電樞

3、兩端的電壓為右圖所示 的脈動電壓，可以看出，在T不變的情況下，改變和寬度，電壓將發(fā)生變化。下面對這一變化作進(jìn)一步的推導(dǎo)。設(shè)電機(jī)接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=/T,則電樞的平均電壓為 =則 下圖為施加不同的占空比時測的的轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系圖1.4 AT89C51單片機(jī)AT89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖它的基本組成包括：（1） 一個8位的微處理器；（2） 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM為128B,有21 個特殊功能寄存器；（3） 片內(nèi)程序存儲器Flash Rom有4KB；（4） 可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的 ROM，可尋址片內(nèi)外64KB的RAM;（5） 4個8位并行I/O接

4、口（P0P3）;一 個全雙工通用異步串行接口UART;（6） 兩個16位的定時/計數(shù)器；（7） 5個中斷源、兩個優(yōu)先級的中斷控制 系統(tǒng)；（8） 具有位操作功能的布爾處理機(jī)及位尋 址功能；（9） 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路。51單片機(jī)的引腳圖2、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計2.1 PWM波形程序的實(shí)現(xiàn)與控制隨計算機(jī)技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，PWM波形采用軟件方法實(shí)現(xiàn)顯得非常靈活和實(shí)用以89C51單片機(jī)為控制核心,晶振頻率為12MHz定時計數(shù)器T0,T1作定時器使用，工作在方式1，通過8位撥碼開關(guān)的接通與斷開控制PWM脈動脈沖的占空比并且通過P0口讀入51單片機(jī)控制PWM波形產(chǎn)生的相應(yīng)程序進(jìn)而控制直流電動機(jī)

5、的速度。PWM脈沖波形產(chǎn)生程序ITT0: CPL P1.5 JNB P1.5,Z1 MOV A,P0 ;讀取P0口電平 MOV R0,A ；通過R0改變占空比 MOV A,#0FFH SUBB A,R0 MOV TH0,A ；低電平定時 SETB TR0 ；啟動計時 RETI Z1: MOV A,P0 ;讀取P0口電平 MOV R0,A ；通過R0改變占空比 MOV TH0,R0 ;高電平計時 SETB TR0 ;啟動計時 RETI2.2 H橋脈寬放大器設(shè)計 脈寬調(diào)制放大器電路（H橋） 直流脈寬調(diào)制系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)形式有多種，按輸出極性有單極性輸出和雙極性輸出之分，而雙極性輸出的主電路又分為H

6、型和T型，H型脈寬放大器又可分為雙極式和單極式。上圖是H型雙極式脈寬放大器電路。圖中四只開關(guān)管分為兩組，VT1和VT3為一組，VT2和VT4為另一組。同一組中的兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷，且兩組開關(guān)管之劍可以交替地導(dǎo)通、斷開，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。如圖所示，在VT1和VT3導(dǎo)通時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)VT2和VT4導(dǎo)通時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，同時通過控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.3 L298功率放大器 L298雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動板可以驅(qū)動兩臺直流電動機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時有效，若要對直流電動機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，需要設(shè)置IN1、IN2，確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖，

7、即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)如下表所示：L298 引腳符號及功能：SENSA、SENSB：分別為兩個H橋的電流反 饋腳，不用時可以直接接地ENA 、ENB：使能端，輸入PWM信號 IN1、IN2、IN3、IN4：輸入端，TTL邏輯 電平信號OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：輸出端， 與對應(yīng)輸入端同邏輯VCC：邏輯控制電源，4.57V GND: 接地VSS ：電機(jī)驅(qū)動電源，最小值需比輸入的低 電平電壓高3、 軟件設(shè)計開始3.1 程序流程圖系統(tǒng)初始化中斷？ 否 是關(guān)中斷讀取P2口數(shù)據(jù)判斷狀態(tài)停車？反轉(zhuǎn)？剎車？正轉(zhuǎn)？P1.5=1 P1.6=1P1.7=1 剎車P1.5=0 O1.6=0

8、P1.7=0 停車P1.6=0 P1.7=1反轉(zhuǎn)P1.6=1 P1.7=1正轉(zhuǎn)開中斷讀8位撥碼開關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)整PWM波占空比調(diào)速RETI 3.2 主程序設(shè)計 ORG 0000HAJMP STARTORG 0003H;判斷中斷的狀態(tài)LJMP INT2ORG 000BH;PWM波形產(chǎn)生的中斷LJMP ITT0ORG 0030H;系統(tǒng)初始化START:MOV SP,#60H;設(shè)置一固定堆棧地址 MOV R0,#00HCLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7MOV TMOD,#01H;計數(shù)器T0工作方式1MOV TL0,#0FFH;設(shè)置計數(shù)初值MOV TH0,#0FFHSETB EA;開中斷SET

9、B EX0;允許外部中斷SETB ET0;允許T0中斷CLR IT0SETB TR0;啟動T0計數(shù) SJMP $3.3 功能程序設(shè)計判斷狀態(tài)中斷程序：INT2: CLR EX0;關(guān)中斷 MOV A,#0FFH MOV P2,A;P2口置1 MOV A,P2;讀取P2口 JNB ACC.0,SC;判斷剎車 JNB ACC.1,ZZ;判斷正轉(zhuǎn) JNB ACC.2,FZ;判斷反轉(zhuǎn) JNB ACC.3,TZ;判斷停車 SETB EX0;開中斷 LCALL TTS;延時程序 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS RETIPWM波形產(chǎn)生中斷程序：ITT0: CPL P1.5;L298

10、使能取反 JNB P1.5,Z1 MOV A,P0;讀取P0口 MOV R0,A;通過P0口改變占空比 MOV A,#0FFH;設(shè)置低電平計數(shù)值 SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0;啟動T0計數(shù) RETI Z1: MOV A,P0;改變占空比 MOV R0,A MOV TH0,R0;設(shè)置高電平計數(shù)值 SETB TR0;啟動T0計數(shù) RETI正轉(zhuǎn)子程序： ZZ: SETB P1.6;L298INT1置1 CLR P1.7;L298INT2清零 LCALL TTS;延時程序 LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0;允許中斷 RETI反轉(zhuǎn)子程序： FZ: CL

11、R P1.6;L298INT1取反 SETB P1.7;L298INT2置1 LCALL TTS;延時程序 LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0;允許中斷 RETI停轉(zhuǎn)子程序： TZ: CLR P1.5;L298使能端清零 CLR P1.6;L298INT1清零 CLR P1.7;L298INT2清零 LCALL TTS;延時程序 LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0;允許中斷 RETI剎車子程序： SC: SETB P1.5;L298使能端置1 SETB P1.6;L298INT1置1 SETB P1.7;L298INT2置1 LCALL TTS;延時

12、程序 LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0;允許中斷 RETI延時子程序： TTS: MOV R3,#0E0HTT1S: MOV R4,#30HTT0S: DJNZ R4,TT0S DJNZ R3,TT1S RET END3.4 系統(tǒng)仿真 正轉(zhuǎn)仿真3.5系統(tǒng)仿真結(jié)果分析通過仿真結(jié)果表明，直流電機(jī)基于51單片機(jī)的控制基本實(shí)現(xiàn)了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車的功能，并且可以通過八位撥碼開關(guān)控制PWM波形的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對速度的實(shí)時調(diào)節(jié)，但是剎車功能效果不明顯。設(shè)計總結(jié)剛剛接到這個課題，感覺真的無從下手，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的正反轉(zhuǎn)等功能完全可以通過電力電子及硬件實(shí)現(xiàn)的觀念已經(jīng)先入為主。連續(xù)兩天都在

13、思考這個問題，最后通過請教老師、上網(wǎng)以及在圖書館查閱資料，我發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用單片機(jī)控制更加的方便簡單、更加精細(xì)，雖然自己也不知道到底能不能很好的完成任務(wù)，但是我對單片機(jī)這門課程產(chǎn)生了更大的興趣。帶著種種問題，我不斷的去查閱相關(guān)資料。八位撥碼開關(guān)在此之前根本都沒有聽說過；L298功率放大器只聽說過，對于引腳功能、工作原理根本一無所知；H橋以前只是在課本上見過圖片，對于其功能的沒有清晰的認(rèn)識。更重要的是在課程設(shè)計期間，我熟練掌握了Keil uVision2編程軟件、Proteus 7 Professional系統(tǒng)仿真軟件，讀程、編程的能力顯著提升，對于以后自學(xué)電力電子學(xué)大有裨益。參考資料【1】89C51